鉆采天然氣水合物的初步設(shè)想

姚彤寶,周 兢,李生紅

(中國煤炭地質(zhì)總局,北京 100039）

鉆采天然氣水合物的初步設(shè)想

姚彤寶,周 兢,李生紅

(中國煤炭地質(zhì)總局,北京 100039）

天然氣水合物在一定溫度壓力條件下能以固體形式存在,但由于其特殊的熱物理力學(xué)性質(zhì),難以像開采其它固體礦產(chǎn)資源的“礦山”型式來開發(fā)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,鉆探技術(shù)是解決開采天然氣水合物的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行和避免可能由開采帶來的環(huán)境問題的關(guān)鍵。鑒于通過鉆探手段將天然氣水合物在地下轉(zhuǎn)化為可控的資源而后開采的現(xiàn)實(shí),提出了采用化學(xué)漿液注入和降壓相結(jié)合的開采模式。

天然氣水合物;鉆探;開采;化學(xué)注漿;降壓

天然氣水合物資源在全球分布極廣,且數(shù)量巨大,己被公認(rèn)為是21世紀(jì)最理想和最具開發(fā)前景的非常規(guī)的新能源?，F(xiàn)有成果表明,天然氣水合物既可形成于低溫、高壓環(huán)境下的海洋沉積物中,也可形成于大陸上的永久凍土帶中[1,2]。天然氣水合物晶體主要以客體形式充填于沉積層的孔隙之中,它的形成和聚集受控于溫度、壓力、孔隙水成分和氣源等四個(gè)主要因素[3,4,5]。盡管天然氣水合物在一定溫度壓力條件下能以固體形式存在,但由于其具有常溫常壓下不穩(wěn)定易分解出大量氣體和少量液態(tài)水的特性,難以象開采其它固體礦產(chǎn)資源一樣的“礦山”型式來開發(fā)。在當(dāng)前技術(shù)條件下,只能通過鉆探技術(shù),將其在地下轉(zhuǎn)化為可控的資源而實(shí)現(xiàn)開采的目的。

1 鉆探技術(shù)對(duì)于天然氣水合物勘探開發(fā)的作用

由于1個(gè)單位體積的水合物分解后可產(chǎn)生164個(gè)單位體積的CH4氣,如果在勘探開發(fā)過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤而不能有效控制其溫壓條件,將可能會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。這也是當(dāng)前針對(duì)天然氣水合物開采討論的焦點(diǎn)。因?yàn)樘烊粴馑衔锏拈_發(fā)主要是通過CH4的釋放來實(shí)現(xiàn),但這也可能是造成災(zāi)難的原因。一方面,由于CH4在大氣層中產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的20倍,這種溫室效應(yīng)會(huì)使兩極冰層全部融化,大片陸地將會(huì)淹沒,大氣環(huán)境也會(huì)改變甚至被完全破壞,并有引發(fā)生物滅絕的可能。另一方面,由于天然氣水合物的分解所產(chǎn)生的大量氣體和水的作用,使局部地質(zhì)應(yīng)力場改變,從而誘發(fā)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害[6,7]。

正是出于對(duì)天然氣水合物勘探、開發(fā)潛在風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)心,世界各國對(duì)于能否把天然氣水合物作為未來能源的態(tài)度都是謹(jǐn)慎的。其實(shí),環(huán)境問題反映的仍是技術(shù)問題。一旦技術(shù)成熟,能夠極大的降低帶來環(huán)境問題的可能,天然氣水合物開采就將水到渠成。我國雖已在南海海槽和青海木里地區(qū)獲得了天然氣水合物的實(shí)物樣品,但對(duì)于實(shí)質(zhì)性商業(yè)開發(fā),還需要大量的研究工作。

由于能直觀、真實(shí)、有效地揭露水合物賦存狀態(tài),并為水合物的生成、運(yùn)移等研究提供通道,鉆探技術(shù)成為國內(nèi)外天然氣水合物勘查與研究的必要手段之一[1,8]。鉆探取樣不僅是揭示水合物儲(chǔ)藏條件最直接的手段,而且也是計(jì)算儲(chǔ)量和制定開發(fā)方案的重要依據(jù)。國外已通過試采天然氣水合物積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),使得未來開采天然氣水合物成為可能,但核心技術(shù)仍只被少數(shù)幾個(gè)國家或機(jī)構(gòu)掌握。劉廣志院士曾指出,開發(fā)天然氣水合物鉆探設(shè)備工藝是關(guān)鍵[9]。而且,現(xiàn)有主要天然氣水合物開采方法都與鉆探技術(shù)緊密相關(guān)。從這個(gè)角度來看,只有鉆探天然氣水合物從技術(shù)上獲得突破,才能破解我國天然氣水合物開采這一技術(shù)難題,才有可能通過技術(shù)手段來解決或避免可能由開采帶來的環(huán)境問題。

2 天然氣水合物開采技術(shù)現(xiàn)狀

天然氣水合物特殊的熱物理力學(xué)性質(zhì)決定其只能在一定的溫壓條件下存在,一旦它賦存的溫度壓力條件變化,各組份的相平衡就會(huì)被破壞,從而導(dǎo)致分解。從天然氣水合物被發(fā)現(xiàn)可作為資源以來,人類都暢想加以利用。正是基于對(duì)天然氣水合物熱物理力學(xué)特性的認(rèn)識(shí),傳統(tǒng)的天然氣水合物開采技術(shù)就是通過人為打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度壓力條件,使蘊(yùn)藏在沉積物中的天然氣水合物分解,然后再將分解產(chǎn)生的天然氣采至地面。人們最初設(shè)想通過加熱或減壓的方法實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的開采,隨著研究的深入,又提出了通過添加化學(xué)試劑改變天然氣水合物平衡條件實(shí)現(xiàn)開采的設(shè)想,部分學(xué)者還建議用CO2將天然氣水合物中的烴類物質(zhì)置換出來的方法來實(shí)現(xiàn)開采?？偟膩砜?現(xiàn)階段天然氣水合物開采技術(shù)可以分為熱激發(fā)開采、減壓開采、化學(xué)試劑注入開采和CO2置換等方法[10,11,12]。

熱激發(fā)開采法的原理是通過提高天然氣水合物的儲(chǔ)層溫度,打破它的平衡條件促使其分解,從而實(shí)現(xiàn)開采的目的。這種方法主要利用鉆探技術(shù)在天然氣水合物穩(wěn)定層中安裝管道,對(duì)含天然氣水合物的地層進(jìn)行加熱,破壞天然氣水合物的平衡條件,致使其分解,再用管道收集析出的天然氣。根據(jù)加熱的方式,又可分為熱流注入加熱、火驅(qū)法加熱、井下電磁加熱和微波加熱等方法[10]。熱激發(fā)開采法可實(shí)現(xiàn)循環(huán)注熱,通過控制加熱的溫度能夠控制水合物的分解速度,但該方法熱損失大,效率低。特別是在永久凍土區(qū),即使利用絕熱管,永凍層也會(huì)降低傳遞給儲(chǔ)層的有效熱量[11]。

減壓開采法則是通過降低或卸掉天然氣水合物所處的地層壓力,打破原有平衡條件促使其分解,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開采的目的。一般是通過低密度泥漿鉆井或通過鉆探常規(guī)型式油氣井后泵出天然氣水合物層下方的游離氣或其他流體實(shí)現(xiàn)減壓目的。由于開采的過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)減壓的過程,因此,減壓法最大的優(yōu)勢便是不需要連續(xù)激發(fā),但它對(duì)天然氣水合物藏的性質(zhì)有特殊的要求,只有當(dāng)天然氣水合物處于溫壓平衡臨界條件下時(shí),減壓開采法的效能才最大。

化學(xué)試劑注入開采法是通過鉆孔向儲(chǔ)層中注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學(xué)試劑,打破原有平衡,致使天然氣水合物分解,從而達(dá)到開采的目的。在研究天然氣水合物分解的過程中,發(fā)現(xiàn)部分化學(xué)試劑能夠改變其相平衡條件,從而提出該辦法。它主要是通過降低天然氣水合物的平衡溫度,促使其在原平衡溫度下分解。因此,這種方法可被認(rèn)為是特殊的熱激發(fā)開采法。相應(yīng)地,化學(xué)試劑注入開采法的效率也較低,且隨著開采后“空腔”范圍的增大,該方法的效率將明顯降低。

研究發(fā)現(xiàn),CO2與CH4的水合物均為結(jié)構(gòu)I型,且CO2與H2O的化學(xué)親和力大于CH4與H2O之間的親和力;在一定溫壓條件下,天然氣水合物雖會(huì)分解,而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定[13]。因此,研究者提出用CO2置換天然氣水合物中CH4的設(shè)想。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明,由注入井連續(xù)不斷地注入CO2,由采出井不斷的抽出CH4,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)[12]。然而,這種置換需要在一定壓力條件下進(jìn)行,反應(yīng)條件相對(duì)苛刻,而且反應(yīng)速率極低,因此,該方法目前仍停留在理論研究階段。

另外,國內(nèi)外也有研究者提出直接采集海底固態(tài)天然氣水合物,或?qū)⑻烊粴馑衔镅b入一種可膨脹的軟式氣袋(其內(nèi)部保持天然氣水合物穩(wěn)定所需的溫壓條件）中,再拖至淺水區(qū)進(jìn)行控制性分解。這種方法被稱為固體開采方法,國內(nèi)稱之為水力提升法[10]。它主要是基于避免采取CH4等氣體的過程中管道因生成天然氣水合物導(dǎo)致管塞等問題。但它對(duì)設(shè)備的要求較高,當(dāng)前技術(shù)條件限制了其可行性。

截止目前,全球范圍內(nèi)都還沒有真正意義上地開采天然氣水合物,僅在西西伯利亞的麥索亞哈氣田、阿拉斯加北部斜坡區(qū)和加拿大西北部麥肯齊三角洲等3個(gè)地區(qū)進(jìn)行了天然氣水合物試采研究。麥索亞哈氣田的天然氣水合物是因開采天然氣水合物藏之下的常規(guī)天然氣,使天然氣水合物儲(chǔ)層壓力降低,引起天然氣水合物發(fā)生分解而無意中開采到的。減壓開采法正是由這一“無意之舉”而提出。其它兩個(gè)地區(qū)的試采試驗(yàn)都是為了相關(guān)國家或研究機(jī)構(gòu)盡快掌握天然氣水合物開采的核心技術(shù),并驗(yàn)證天然氣水合物開采技術(shù)可行性而進(jìn)行的。

3 鉆采天然氣水合物的初步設(shè)想

事實(shí)上,天然氣水合物只有在一定壓力條件下才在自然狀態(tài)下存在,其晶體主要以客體形式充填于沉積層的孔隙之中。盡管沉積層原有孔隙率可能較大,但在外界壓力下,以及水合物生產(chǎn)過程中結(jié)晶膨脹作用,自然狀態(tài)下含有天然氣水合物晶體的沉積層將變得較為致密,地層的滲透性則相應(yīng)較差,致使能量傳遞緩慢。這可能正是引起熱激發(fā)開采、減壓開采、化學(xué)試劑注入開采和CO2置換等方法效率較低的主要原因。提高天然氣水合物的開采效率,就需要人為地增加天然氣水合物晶體與介質(zhì)或能量接觸(交換）的表面積。但天然氣水合物儲(chǔ)層或礦藏作為地下的客觀存在,其物理性質(zhì)基本不變,增加接觸面積就須借助其它手段實(shí)現(xiàn)。而鉆探技術(shù)正是當(dāng)前深部地下空間連通的主要手段,也使得增加上述接觸面積成為可能。

此外,天然氣水合物作為資源,其開采就必須要考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性和社會(huì)環(huán)境效應(yīng)。也就是說,即使開采天然氣水合物的技術(shù)是可行的,但其經(jīng)濟(jì)或社會(huì)環(huán)境不可行,也是不適宜開采的。反之,亦然。盡管經(jīng)濟(jì)可行性與資源的客觀情況也緊密相關(guān),但從廣義上講,技術(shù)可行性包含著其它兩個(gè)方面,即開采天然氣水合物的技術(shù)方案如果真正可行,其它兩個(gè)層面很也應(yīng)可行。如前所述,天然氣水合物資源難以如同開采其它固體礦產(chǎn)資源的“礦山”型式來開發(fā),只能將其先在地下轉(zhuǎn)化為可控的資源,再通過采取轉(zhuǎn)化后的資源從而實(shí)現(xiàn)開采的目的。鉆探成井是當(dāng)前條件下開采天然氣水合物的基本條件,也是開采技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。但無論采用何種方法來開采天然氣水合物,都需要通過鉆探出如同常規(guī)油氣井一樣的天然氣水合物開采井,特別是對(duì)于CO2置換開采法,則需要通過一對(duì)井來實(shí)現(xiàn)。因此,鉆探成井是天然氣水合物開采的關(guān)鍵技術(shù)之一,成井的質(zhì)量也決定著開采方法的成敗,鉆采方案相應(yīng)成為研究天然氣水合物開采的重點(diǎn)。

就天然氣水合物開采型式而言,與巖鹽的開采和煤層氣、頁巖氣的開發(fā)基本相同,與水驅(qū)采油法也有相似之處。因此,巖鹽等資源的開采方案對(duì)天然氣水合物開采從型式上具有一定的借鑒意義。即可通過定向鉆井技術(shù)、對(duì)接井技術(shù)、大水平位移井技術(shù)和叢式井技術(shù)等鉆探手段提供開采天然氣水合物的通道。雖然已開展的3個(gè)試采項(xiàng)目都是在單井眼的條件下進(jìn)行的,這很可能是因?yàn)樗鼈儍H為驗(yàn)證開采方法是否可行。試開采也證明,減壓開采比熱激發(fā)開采和化學(xué)試劑注入兩種方法簡單、有效,熱激發(fā)方法其次,化學(xué)試劑注入方法效率最低。而且,可以肯定的是,上述開采方法都是基于破壞天然氣水合物平衡條件而提出的。但天然氣水合物的平衡條件包含諸多因素,因此,這些開采方法的原理并不只是孤立地認(rèn)為是由單一因素的改變引起的,而是平衡條件復(fù)雜地、動(dòng)態(tài)地、系統(tǒng)地變化的過程所引起天然氣水合物分解的結(jié)果。換句話說,上述開采方法引起天然氣水合物分解的過程是一個(gè)綜合的、系統(tǒng)的結(jié)果。因此,從某種層面來看,采用單一開采方法是不經(jīng)濟(jì)的,只有將不同方法的優(yōu)點(diǎn)綜合起來才能達(dá)到天然氣水合物有效開采的目的。

基于此,筆者認(rèn)為,只有立足天然氣水合物熱物理化學(xué)特性,深入研究并掌握天然氣水合物的形成與分解的熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制,在能夠準(zhǔn)確地判析溫度、壓力等因素對(duì)天然氣水合物分解的影響作用和影響程度的前提下,才能找尋到真正意義上切實(shí)可行的開采方法。以前,天然氣水合物實(shí)物樣品難于在通常條件下得到,對(duì)其研究主要建立在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上,由于實(shí)驗(yàn)室條件與實(shí)際自然狀況差別較大,致使實(shí)驗(yàn)室所得到的結(jié)論不能夠與實(shí)際情況完全吻合。筆者也在模擬研究天然氣水合物分解的過程中發(fā)現(xiàn),在較低溫度范圍內(nèi),保持CH4水合物不分解所需的壓力與溫度呈現(xiàn)近線性趨勢,降低溫度比提高壓力更有利于抑制甲烷水合物分解。當(dāng)下,我國已在南海海槽和青海木里地區(qū)勘探到天然氣水合物實(shí)物,這將為國內(nèi)全方位研究天然氣水合物勘探開發(fā)提供良好的“試驗(yàn)田”,也將促進(jìn)我國研究開采天然氣水合物的水平。

由于凍土帶內(nèi)天然氣水合物與海底天然氣水合物相比埋深較淺、賦存的溫壓條件較低,且陸地勘探開發(fā)比海域在開采工藝與作業(yè)施工方面更為成熟和易實(shí)現(xiàn)[14,15],僅從安全的角度考慮,天然氣水合物的開采應(yīng)經(jīng)由陸地凍土區(qū)向海域逐步發(fā)展的過程。正因?yàn)榇?青海木里永凍區(qū)天然氣水合物的發(fā)現(xiàn),對(duì)我國天然氣水合物向?qū)嵸|(zhì)性開采具有重要的意義。那么,如何開采永凍區(qū)天然氣水合物呢?筆者認(rèn)為,可采用化學(xué)漿液注入和降壓相結(jié)合的模式。它工作及實(shí)現(xiàn)開采的原理主要包括:首先利用對(duì)接井技術(shù),分別鉆出注入井和采氣井,使它們?cè)谝炎C實(shí)的天然氣水合物儲(chǔ)層內(nèi)導(dǎo)通;然后用管子將配置好的常溫(或其以上）化學(xué)漿液和注入井、采氣井連接成閉合回路;最后通過采氣井泵出漿液并分離、采集氣體。當(dāng)然,上述方法各個(gè)環(huán)節(jié)的具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層的性質(zhì)決定,從而實(shí)現(xiàn)有效開采天然氣水合物資源的目的。俄羅斯學(xué)者提出的運(yùn)用雙井筒大水平距定向?qū)又悄芫@井技術(shù)[16],采用核廢料產(chǎn)生的熱量來開采天然氣水合物的方法也能佐證上述開采模式是可行的。

當(dāng)然,在目前技術(shù)條件下,必須對(duì)天然氣水合物的鉆采持謹(jǐn)慎態(tài)度,剛剛發(fā)生的墨西哥灣漏油事件就是最好的警示。只有天然氣水合物開采和配套安全技術(shù)完善、提高之后,經(jīng)過一段時(shí)間充分的生產(chǎn)試驗(yàn)之后,才能投入實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié)論與展望

面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)巨大的“減排”壓力,作為一種極具潛力的未來清潔能源,天然氣水合物的開采研究對(duì)于未來能源具有重要的戰(zhàn)略意義,但欲將天然氣水合物作為真正意義上的資源,其開采就必須解決其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行和可能帶來的社會(huì)環(huán)境效應(yīng)?，F(xiàn)階段提出的熱激發(fā)開采、減壓開采、化學(xué)試劑注入開采和CO2置換等開采天然氣水合物的方法仍非完善,尚需要深入研究天然氣水合物的形成與分解的熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制,準(zhǔn)確掌握溫度、壓力等因素對(duì)天然氣水合物平衡的影響作用,從而找尋到真正意義上切實(shí)可行的開采方法。

鉆探技術(shù)是天然氣水合物勘查與研究的必要手段之一,也是計(jì)算儲(chǔ)量和制定開發(fā)方案的重要依據(jù)。國外試采天然氣水合物的經(jīng)驗(yàn)表明,開采天然氣水合物的關(guān)鍵技術(shù)包括鉆探;只有鉆探技術(shù)才能在當(dāng)前技術(shù)條件下使開采天然氣水合物成為可能。因此,只有鉆探天然氣水合物從技術(shù)上獲得重大突破,才能保證開采天然氣水合物的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行,才有可能通過技術(shù)手段來解決或避免可能由開采帶來的環(huán)境問題。

基于上述分析,筆者提出利用對(duì)接井技術(shù),分別鉆出注入井和采氣井并使它們?cè)谔烊粴馑衔飪?chǔ)層內(nèi)連通,由注入井下注入化學(xué)漿液,并通過采氣井分離并收集天然氣水合物分解的烴類氣體的開采方案。但鑒于剛剛發(fā)生的墨西哥灣漏油事件的教訓(xùn),應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待鉆采天然氣水合物。

毫無疑問,天然氣水合物的開采引起了全球很多國家的重視,特別是自20世紀(jì)90年代以來,研究者們明顯加快了天然氣水合物開采研究的步伐,在開采技術(shù)、開采工藝、開采面臨的環(huán)境問題等方面做了大量工作,并在凍土區(qū)進(jìn)行了天然氣水合物開采試驗(yàn)。我國永凍帶和海域面積巨大,天然氣水合物空間上賦存的可能性極大。隨著我國天然氣水合物的查證工作的展開,尤其是凍土地區(qū)天然氣水合物的發(fā)現(xiàn),將會(huì)提供更寬廣的天然氣水合物研究平臺(tái),也有利于提升國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究水平。但需承認(rèn),國內(nèi)研究天然氣水合物起步較晚,還需要在研究中充分吸收國外天然氣水合物開采的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn),并通過聯(lián)合共同攻克相關(guān)核心技術(shù),以期早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開采天然氣水合物這一愿望。

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Drilling and Exploitation of Gas Hydrate

YAO Tong-bao,ZHOU Jing,LI Sheng-hong(China National Administration of Coal Geology,Beijing 100039,China）

Gas hydrate can exist in certain temperature and pressure conditions as solid form,but because of its special thermal physical and mechanicalproperties,it is impossible to be developedwith"mining"type like other solidmineral re-sources.Under the present condition,drilling technology is the key for the exploitation of gas hydrate;it is economically feasible and can avoid the environmental problems thatmight be brought bymining.Based on the situation that gas hydrate was converted to the controlled resource underground before mining,miningmode combining chemical grout injection with depression was proposed.

gas hydrate;drilling;exploitation;chemical grout injection;depression

TD87;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0022-04

2010-09-10

姚彤寶(1980-）,男(漢族）,河南南陽人,中國煤炭地質(zhì)總局工程師,地質(zhì)工程專業(yè),博士,從事鉆探技術(shù)研究與項(xiàng)目管理工作,北京市豐臺(tái)區(qū)靛廠路299號(hào),ytblog@163.com。